نظرة عامة شاملة على طرق نمو السيليكون أحادي البلورة

نظرة عامة شاملة على طرق نمو السيليكون أحادي البلورة

1. خلفية تطوير السيليكون أحادي البلورة

لقد عزز التقدم التكنولوجي والطلب المتزايد على المنتجات الذكية عالية الكفاءة المكانة المحورية لصناعة الدوائر المتكاملة (IC) في التنمية الوطنية. وباعتبارها حجر الزاوية في صناعة الدوائر المتكاملة، يلعب السيليكون أحادي البلورة شبه الموصل دورًا حيويًا في دفع عجلة الابتكار التكنولوجي والنمو الاقتصادي.

وفقًا لبيانات الرابطة الدولية لصناعة أشباه الموصلات، بلغ حجم مبيعات سوق رقائق أشباه الموصلات العالمية 12.6 مليار دولار أمريكي، مع نمو الشحنات إلى 14.2 مليار بوصة مربعة. علاوة على ذلك، يواصل الطلب على رقائق السيليكون ارتفاعه المطرد.

ومع ذلك، فإن صناعة رقائق السيليكون العالمية مركزة للغاية، حيث تهيمن الشركات الخمس الكبرى على أكثر من 85% من حصة السوق، كما هو موضح أدناه:

• شركة شين إيتسو الكيميائية (اليابان)

• سومكو (اليابان)

• رقائق عالمية

• سيلترونيك (ألمانيا)

• SK Siltron (كوريا الجنوبية)

ويؤدي هذا الاحتكار إلى اعتماد الصين بشكل كبير على رقائق السيليكون أحادية البلورة المستوردة، وهو ما أصبح أحد العوائق الرئيسية التي تحد من تطوير صناعة الدوائر المتكاملة في البلاد.

وللتغلب على التحديات الحالية في قطاع تصنيع أحادي بلورات السيليكون أشباه الموصلات، فإن الاستثمار في البحث والتطوير وتعزيز قدرات الإنتاج المحلية هو خيار لا مفر منه.

2. نظرة عامة على مادة السيليكون أحادية البلورة

يُعدّ السيليكون أحادي البلورة أساس صناعة الدوائر المتكاملة. حتى الآن، تُصنع أكثر من 90% من رقائق الدوائر المتكاملة والأجهزة الإلكترونية باستخدام السيليكون أحادي البلورة كمادة أساسية. ويُعزى الطلب الواسع على السيليكون أحادي البلورة وتطبيقاته الصناعية المتنوعة إلى عدة عوامل:

1. السلامة والصديقة للبيئة:يوجد السيليكون بكثرة في قشرة الأرض، وهو غير سام وصديق للبيئة.

2. العزل الكهربائي:يتميز السيليكون بشكل طبيعي بخصائص العزل الكهربائي، وعند المعالجة الحرارية، فإنه يشكل طبقة واقية من ثاني أكسيد السيليكون، مما يمنع بشكل فعال فقدان الشحنة الكهربائية.

3. تكنولوجيا النمو الناضج:إن التاريخ الطويل للتطور التكنولوجي في عمليات نمو السيليكون جعله أكثر تطوراً بكثير من المواد شبه الموصلة الأخرى.

وتساهم هذه العوامل مجتمعة في إبقاء السيليكون أحادي البلورة في طليعة الصناعة، مما يجعله غير قابل للاستبدال بمواد أخرى.

من حيث البنية البلورية، يُعدّ السيليكون أحادي البلورة مادةً مصنوعةً من ذرات السيليكون المُرتّبة في شبكة دورية، مُشكّلةً بنيةً متصلة. وهو أساس صناعة الرقائق.

يوضح الرسم التخطيطي التالي العملية الكاملة لإعداد السيليكون أحادي البلورة:

نظرة عامة على العملية:
يُستخرج السيليكون أحادي البلورة من خام السيليكون عبر سلسلة من مراحل التكرير. أولاً، يُستخرج السيليكون متعدد البلورات، ثم يُنمّى إلى سبيكة سيليكون أحادية البلورة في فرن نمو البلورات. بعد ذلك، يُقطع ويُصقل ويُعالج إلى رقائق سيليكون مناسبة لتصنيع الرقائق.

تنقسم رقائق السيليكون عادة إلى فئتين:درجة الطاقة الكهروضوئيةودرجة أشباه الموصلاتيختلف هذان النوعان بشكل رئيسي في بنيتهما ونقائهما وجودة سطحهما.

• رقائق من درجة أشباه الموصلاتتتمتع بنقاء استثنائي يصل إلى 99.999999999%، ويُشترط بشدة أن تكون أحادية البلورة.

• رقائق من الدرجة الكهروضوئيةأقل نقاءً، مع مستويات نقاء تتراوح من 99.99% إلى 99.9999%، ولا توجد بها متطلبات صارمة لجودة البلورات.

بالإضافة إلى ذلك، تتطلب رقائق أشباه الموصلات نعومة سطح ونظافة أعلى من رقائق الخلايا الكهروضوئية. وتزيد المعايير الأعلى لرقائق أشباه الموصلات من تعقيد تحضيرها وقيمتها لاحقًا في التطبيقات.

يوضح الرسم البياني التالي تطور مواصفات رقائق أشباه الموصلات، والتي زادت من رقائق 4 بوصات (100 مم) و6 بوصات (150 مم) المبكرة إلى رقائق 8 بوصات (200 مم) و12 بوصة (300 مم) الحالية.

في عملية تحضير بلورة السيليكون الأحادية، يختلف حجم الرقاقة باختلاف نوع التطبيق وعوامل التكلفة. على سبيل المثال، عادةً ما تستخدم شرائح الذاكرة رقائق بقياس ١٢ بوصة، بينما تستخدم أجهزة الطاقة رقائق بقياس ٨ بوصات.

باختصار، يُعد تطور حجم الرقاقة نتيجةً لقانون مور والعوامل الاقتصادية. يتيح حجم الرقاقة الأكبر زيادة مساحة السيليكون القابلة للاستخدام في ظل ظروف المعالجة نفسها، مما يُقلل تكاليف الإنتاج ويُقلل من هدر حواف الرقاقة.

باعتبارها مادةً أساسيةً في التطور التكنولوجي الحديث، تُمكّن رقائق السيليكون شبه الموصلة، من خلال عمليات دقيقة كالطباعة الضوئية وزرع الأيونات، من إنتاج أجهزة إلكترونية متنوعة، بما في ذلك مقومات القدرة العالية، والترانزستورات، وترانزستورات الوصلات ثنائية القطب، وأجهزة التبديل. وتلعب هذه الأجهزة دورًا محوريًا في مجالات مثل الذكاء الاصطناعي، واتصالات الجيل الخامس، وإلكترونيات السيارات، وإنترنت الأشياء، والفضاء الجوي، مُشكّلةً بذلك حجر الزاوية في التنمية الاقتصادية الوطنية والابتكار التكنولوجي.

3. تقنية نمو السيليكون أحادي البلورة

الطريقة تشوخرالسكي (CZ)هي عملية فعّالة لاستخراج مواد أحادية البلورة عالية الجودة من المصهور. اقترحها يان تشوخرالسكي عام ١٩١٧، وتُعرف أيضًا باسمسحب الكريستالطريقة.

تُستخدم طريقة CZ حاليًا على نطاق واسع في تحضير مواد أشباه الموصلات المختلفة. ووفقًا لإحصاءات غير مكتملة، يُصنع حوالي 98% من المكونات الإلكترونية من السيليكون أحادي البلورة، وتُنتج 85% منها باستخدام طريقة CZ.

تُفضّل طريقة CZ لجودتها البلورية الممتازة، وحجمها القابل للتحكم، ومعدل نموها السريع، وكفاءتها الإنتاجية العالية. هذه الخصائص تجعل السيليكون أحادي البلورة CZ المادة المفضلة لتلبية الطلب عالي الجودة وواسع النطاق في صناعة الإلكترونيات.

مبدأ نمو السيليكون أحادي البلورة CZ هو كما يلي:

تتطلب عملية CZ درجات حرارة عالية، وفراغًا، وبيئة مغلقة. المعدات الرئيسية لهذه العملية هيفرن نمو البلورات، مما يسهل هذه الظروف.

يوضح الرسم التخطيطي التالي هيكل فرن نمو البلورات.

في عملية CZ، يُوضع السيليكون النقي في بوتقة، ويُصهر، ثم تُضاف بلورة بذرة إلى السيليكون المصهور. ومن خلال التحكم الدقيق في معايير مثل درجة الحرارة، ومعدل السحب، وسرعة دوران البوتقة، تُعيد الذرات أو الجزيئات الموجودة عند نقطة التقاء البلورة البذرة والسيليكون المصهور تنظيم نفسها باستمرار، وتتصلب مع تبريد النظام، لتُشكل في النهاية بلورة واحدة.

تنتج تقنية نمو البلورات هذه سيليكونًا أحادي البلورة عالي الجودة وكبير القطر مع توجهات بلورية محددة.

تتضمن عملية النمو عدة خطوات رئيسية، بما في ذلك:

1. التفكيك والتحميل:إزالة البلورات وتنظيف الفرن ومكوناته جيدًا من الملوثات مثل الكوارتز أو الجرافيت أو الشوائب الأخرى.

2. الفراغ والذوبان:يتم تفريغ النظام من الهواء، ثم إدخال غاز الأرجون وتسخين شحنة السيليكون.

3. سحب الكريستال:يتم إنزال بلورة البذرة في السيليكون المنصهر، ويتم التحكم في درجة حرارة الواجهة بعناية لضمان التبلور المناسب.

4. التحكم في الكتف والقطر:مع نمو البلورة، يتم مراقبة قطرها وتعديله بعناية لضمان نمو موحد.

5. نهاية النمو وإغلاق الفرن:بمجرد الوصول إلى حجم البلورة المطلوب، يتم إيقاف تشغيل الفرن وإزالة البلورة.

وتضمن الخطوات التفصيلية في هذه العملية إنشاء بلورات أحادية عالية الجودة وخالية من العيوب ومناسبة لتصنيع أشباه الموصلات.

4. التحديات في إنتاج السيليكون أحادي البلورة

أحد التحديات الرئيسية في إنتاج بلورات أحادية شبه موصلة ذات قطر كبير يكمن في التغلب على الاختناقات التقنية أثناء عملية النمو، وخاصة في التنبؤ بعيوب البلورة والتحكم فيها:

1. جودة أحادية البلورة غير متسقة وعائد منخفضمع ازدياد حجم بلورات السيليكون الأحادية، يزداد تعقيد بيئة النمو، مما يُصعّب التحكم في عوامل مثل المجالات الحرارية والتدفقية والمغناطيسية. وهذا يُعقّد مهمة تحقيق جودة ثابتة وإنتاجية أعلى.

2. عملية التحكم غير المستقرةعملية نمو بلورات السيليكون شبه الموصل أحادية النواة معقدة للغاية، إذ تتفاعل فيها مجالات فيزيائية متعددة، مما يجعل دقة التحكم غير مستقرة ويؤدي إلى انخفاض إنتاجية المنتج. تركز استراتيجيات التحكم الحالية بشكل رئيسي على الأبعاد العيانية للبلورة، بينما لا تزال الجودة تُضبط بناءً على الخبرة اليدوية، مما يُصعّب تلبية متطلبات التصنيع الدقيق والنانوي في رقائق الدوائر المتكاملة.

ولمعالجة هذه التحديات، هناك حاجة ماسة إلى تطوير أساليب المراقبة والتنبؤ عبر الإنترنت في الوقت الحقيقي لجودة البلورات، إلى جانب التحسينات في أنظمة التحكم لضمان إنتاج أحادي البلورات الكبيرة المستقر وعالي الجودة للاستخدام في الدوائر المتكاملة.